【導讀】運算放大器已廣泛用于汽車電子、通信、消費等各個領域，對于不同的運算放大器而言，即使外特性只有細微的差異，內部也可能存在著極大的差異。本文針對幾類關鍵的運算放大器進行講解，并分析其設計要點，幫助工程師設計出更符合自己需求的產品。
運算放大器是典型的模擬集成電路。可以說有了運算放大器才算有了模擬集成電路、其歷史也就是模擬集成電路的歷史。運算放大器的設計開發不像其外特性那樣直觀明了；外特性有細微差異的運算放大器內部差異之巨大也往往出乎意料之外；投入資源開發有細微差異的運放是工程需求、工程需求背后的商業利益追求、以及知識產權創新的需要。
微功耗運算放大器
大幅度地減少功耗對應用設計帶來的影響不止是節能。如果平均功率需要從mA量級下降到了μA量級甚至μA以下，則供電方案可以有很大不同，使一些原本不方便、不能實現的應用得以實現。例如圖1所示的電源電路可以驅動一個以微功耗運算放大器為檢測部分、配合儲能和間歇執行部分的電路，利用單條電源線的控制負載。一些電源開關盒中實際上只是一條線路，對這些開關升級，例如升級成遙控調光或者接近開關時需要為控制電路供電。負載沒有接通時，通過允許流過微量電流供電。如果這個電流較大，會導致負載部分啟動或間歇啟動；對于輕負載，例如3~5W發光二極管燈尤為顯著。實際工程案例利用SGM8041的微功耗特性解決了這一問題。
圖1：利用微功耗運放改變供電電路
圖1所示的電路設計工作在交流電的電壓范圍內，但其元件中只有R(以及執行部件和電流互感器T的原副邊之間)承受較高電壓，其余元件耐壓均以參考齊納管的擊穿電壓為參考。電流互感器T用于在較大功率負載的應用，在接通期間給控制電路供電；如果負載較小，接通期間也可以通過延遲開啟角度取得一定的電壓差給控制電路供電。
低功耗產品已很普及，如常用的TLC27L和MCP6041；后者靜態電流僅600nA。SGM8141/2為更為極端的微功耗運算器產品，其靜態電流僅為350nA，Voffset則控制在最大不超過2.5mV。利用SGM8141/2可以在系統深度休眠時提供連續參數監測，用于喚醒或者異常觸發。也用于信號自供電或利用能量收集(例如震動、熱和光)的設計中。
微功耗運算放大器設計的挑戰在于，如何利用盡可能少的電路實現在全輸入范圍內保持小而穩定的失調電壓。微功耗運放無法利用復雜電路對溫度變化補償和嚴格根據共模鎖定輸入節的偏置，失調補償依賴于參數補償設計和精細的版圖設計。圖2是圣邦微功耗運放產品的失調電壓分布統計。
圖2：圣邦微功耗運放的失調電壓分布
[page]微功耗比較器
比較器是常態處于類飽和態的模擬集成電路，僅在比較閾值附近一個微小的區間表現為線性。無論在高速場合還是低速場合，對比較器的需要常被忽視和誤解?，F實中不乏把放大器當作比較器使用的成功工程案例，真實地反映了對比較器的需求的變化。比較器無論是參數優化還是實際結構實現都跟運算放大器不同；比較器在輸出翻轉前或者后的傳輸增益要小，以防止自激；觸發翻轉后的上升或者下降沿不受前級的爬升率的影響。
傳統工程上對比較器的需要大都被取代或者弱化，如快速渡過邏輯器件的邏輯模糊區、精確幅度甄別和抑制在甄別閾值附近的不定狀態輸出等。主要因為ADC的普及使用和邏輯I/O的設計改進；無論是在邏輯I/O電路中還是利用運放的輕度正反饋滯回，都可以有效避免邏輯不確定性，而定時抖動特性一直不是比較器的強項。
新設計改進重點在于減少比較器的耗電。微功耗運放用作比較器時在飽和狀態工作電流有所增加，退出飽和需要較長時間，比較器則沒有這些問題。如圖3所示，SGM8701系列微功耗的工作電流穩定在300nA附近的極低水平。
圖3：SGM8701系列比較器工作電流
極低功耗比較器可以用于需要潛伏或深度睡眠狀態的應用，例如在待機期間持續監測電池電壓和連續監視等待喚醒呼叫等。
無交越失真運算放大器
與BTL和C類放大器的交越失真概念不同，無交越失真運放是相對于有輸入結構相關交越失真的滿幅輸入CMOS運放提出的。CMOS運算放大器具有輸入阻抗高、工作電流低、易實現滿幅輸出和不需要區別單雙電源設計等突出優點，但是其輸入部分柵極與源極之間需要較大壓差，共模輸入電壓范圍小，限制了低工作電壓使用。如圖4所示的互補雙差分對結構被用于CMOS運放以允許滿幅輸入。這種互補雙差分對結構保證無論共模電壓是接近正電源，還是接近負電源，至少有一個差分對可以工作。工程現實無法保證這兩個差分對有完全一致的失調電壓。輸入共模電壓變化使互補雙差分對交替工作引起輸入相關交越失真。
圖4：引起交越失真的互補雙差分對輸入結構
與輸出圖騰柱結構的輸出交替引起的交越失真不同，輸入相關的交越失真無法通過提高開環增益予以改善。SGM8942通過對輸入部分偏置結構的改變避免了使用雙互補差分對結構，是一種新型的無交越失真滿幅輸入/輸出型運算放大器。
[page]輸入相關交越失真僅發生在同相放大應用，如需要高輸入阻抗放大器的駐極體輸出緩沖、壓電換能器的輸出緩沖、PT/CT電量傳感器輸出的緩沖和電位差計輸出緩沖等。交越失真生成寄生頻譜，或產生虛假微擾動。SGM8942成功地應用于微弧檢測、瞬時功率因數測量和電化學擴散電勢檢測等對微擾敏感的應用中。
從本征特性看，CMOSFET的穩定性和噪聲特性，尤其是1/f噪聲，以及響應速度均不及雙極型晶體管；但其高輸入阻抗、低偏置電流、低耗電和結構緊湊等優勢雙極型器件難以企及。CMOS產品出現以來，改善其噪聲、穩定性和速度的努力從來沒有中斷過。除了少數特別的應用場合，CMOS運放已取代了雙極型運放成為主力。例如SGM8551系列高精度運放可保證小于20μV的失調電壓和小于20nV/°的溫漂，各方面都超過了傳統的高精度運放，例如OP07，以及同類的LMV2011。SGM8551已成功用于6位半精度的過程校驗儀表。
高精度運算放大器的對應用工程意義明了、毋庸贅敘，其設計工程的挑戰則比較特別；高精度運放設計是專利集中的領域，很多電路方案和布線方案受到保護；新設計要在保護和利用的原則下創新。圣邦的高精度運放產品設計是業內最新數據模型和部分創新的結合。
與在高精度測量放大系統中方案靈活多變不同，例如相關雙采樣方案、斬波調制放大方案和斬波跟蹤方案等等，高精度運算放大器的實現方案局限于精密跟蹤補償和交替自穩零兩類基礎方案。
參考圖5，交替自穩零方案的原理與斬波跟蹤放大器類似。信號通道上的第一級被分為兩個幾何分布完全一致的兩組；除了切換瞬間，總有一組在通過信號，保證了信號是被近似連續傳送和放大的；自穩零校準則是交替進行的。不在傳遞信號的一組的失調被饋入調零通道，調節偏置使失調為零。
圖5：交替自穩零的原理示意圖
高電壓運算放大器
在工業現場或者類似惡劣條件的場合，采用可直接工作在較高電壓的運放有利于提高可用率和執行力。只是提高工作電壓對設計容限的改進是有限的；事實上大多數早期的雙極型運放可工作在較高電壓下，但不能在低電壓下工作。現代意義下的高壓運放需要高適應性，包括大動態工作電壓范圍，滿幅輸入/輸出，抗高共模/差模和具備短期過壓寬限。以SGM8291為例，其工作電壓范圍是4.5V~36V，共模和差模均輸入允許到電源電壓，電源短期過壓可超過40V。
現代意義下的高壓運放是一個較新的運放品種，例如TI也只是在近期開始推廣其OPA171系列的高壓運放。這些高壓運放全部具有大動態、低電流的特點，以JFET或CMOS作為輸入，普遍采用BCD混合結構；其特性優勢是雙極型高壓運放無法抗類比的。高壓運放的結構與低壓運放的結構不同，如輸入節要在大得多的共模電壓范圍內保持穩定的失調電壓，輸出節要承受大的柵-漏(或基-集)電壓。SGM8291在全電壓范圍內失調不超過0.9mV并允許輸出長期短路。
[page]
圖6用來解釋如何實現這些特性所需要的結構差異的一個示意方案(此示意圖并不暗示圣邦使用了這一結構)。其中CC1~CC3恒流源需要利用雙極型的本征恒流特性穩定輸入差分對的偏置；A采用CMOS取得高增益；T1、T2采用DMOS實現高耐壓。低壓運放不需要這些組合。
圖6：解釋高壓運放結構差異的示意圖
開發高壓運放、完善工業產品鏈的社會意義大于開發者的直接經濟意義。盡管高壓運放對工業應用來講是不可或缺的，但實際上，其應用空間被低壓結構系統不斷擠占。其一是因為在大多系統中信號最終被饋送到或者最初來自低壓的數字處理電路，低壓系統已具備系統級高設計容限；其二是外圍電路改進可利用低壓電路取得類似高壓器件的容限，分享低壓元件選擇性大、供應量好和價格低的紅利。但是有些應用場景注定需要高壓運放，圖7示意了在輸入側和輸出側適合使用高壓運放的若干情況。
圖7：若干需要高壓運放的情況
本文小結
半導體集成運算放大器從60年代開發面市，歷經半百滄桑到今天還能見到不斷有新的產品推出，見證了人類對自然深入探究和提升自我的不斷追求。近些年國內出現了若干家以模擬集成電路開發推廣為主要業務的新半導體公司，對拓展應用和推動市場競爭做出貢獻。在成熟的應用中，包括運放在內模擬電路被越來越多地集成到了單片系統中，同時隨著認識的深入和處理能力的加強、也不斷有新的要求需要新的產品來滿足。
相關閱讀：
【設計指南】如何控制運算放大器增益誤差
http://www.91bobo.cn/power-art/80020654
使用運算放大器應對EMI問題
http://www.91bobo.cn/gptech-art/80019013
系統工程師如何應對運算放大器的精度挑戰
http://www.91bobo.cn/power-art/80019620
